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Socket 缓冲区探讨
本文主要探讨 java 网络套接字传输模型，并对如何将 NIO 应用于服务端，提高服务端的运行能力和降低服务负载。
1.1 socket 套接字缓冲区
Java 提供了便捷的网络编程模式，尤其在套接字中，直接提供了与网络进行沟通的输入和输出流，用户对网络的操作就如同对文件操作一样简便。在客户端与服务端建立 Socket 连接后，客户端与服务端间的写入和写出流也同时被建立，此时即可向流中写入数据，也可以从流中读取数据。在对数据流进行操作时，很多人都会误以为，客户端和服务端的 read 和 write 应当是对应的，即：客户端调用一次写入，服务端必然调用了一次写出，而且写入和写出的字节数应当是对应的。为了解释上面的误解，我们提供了 Demo-1 的示例。
在 Demo-1 中服务端先向客户端输出了两次，之后刷新了输出缓冲区。客户端先向服务端输出了一次，然后刷新输出缓冲，之后调用了一次接收操作。从 Demo-1 源码以及后面提供的可能出现的结果可以看出，服务端和客户端的输入和输出并不是对应的，有时一次接收操作可以接收对方几次发过来的信息，并且不是每次输出操作对方都需要接收处理。当然了 Demo-1 的代码是一种错误的编写方式，没有任何一个程序员希望编写这样的代码。
Demo-1
package com.upc.upcgrid.guan.chapter02;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import org.junit.Test;
public class SocketWriteTest {
public static final int PORT = 12123;
public static final int BUFFER_SIZE = 1024;
// 服务端代码
@Test
public void server() throws IOException, InterruptedException{
ServerSocket ss = new ServerSocket( PORT );
while ( true )
{
Socket s = ss.accept();
// 这里向网络进行两次写入
s.getOutputStream().write( "hello " .getBytes());
s.getOutputStream().write( "guanxinquan " .getBytes());
s.getOutputStream().flush();
s.close();
}
}
// 客户端代码
@Test
public void client() throws UnknownHostException, IOException{
byte [] buffer;
Socket s = new Socket( "localhost" , PORT ); // 创建 socket 连接
s.getOutputStream().write( new byte [ BUFFER_SIZE ]);
s.getOutputStream().flush();
int i = s.getInputStream().read(buffer = new byte [ BUFFER_SIZE ]);
System. out .println( new String(buffer,0,i));
}
}
Demo-1 可能输出的结果：
结果 1 ：
hello
结果 2 ：
hello guanxinquan
为了深入理解网络发送数据的流程，我们需要对 Socket 的数据缓冲区有所了解。在创建 Socket 后，系统会为新创建的套接字分配缓冲区空间。这时套接字已经具有了输入缓冲区和输出缓冲区。可以通过 Demo-2 中的方式来获取和设置缓冲区的大小。缓冲区大小需要根据具体情况进行设置，一般要低于 64K （ TCP 能够指定的最大负重载数据量， TCP 的窗口大小是由 16bit 来确定的），增大缓冲区可以增大网络 I/O 的性能，而减少缓冲区有助于减少传入数据的 backlog （就是缓冲长度，因此提高响应速度）。对于 Socket 和 SeverSocket 如果需要指定缓冲区大小，必须在连接之前完成缓冲区的设定。
Demo-2
package com.upc.upcgrid.guan.chapter02;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketException;
public class SocketBufferTest {
public static void main(String[] args) throws SocketException {
// 创建一个 socket
Socket socket = new Socket();
// 输出缓冲区大小
System. out .println(socket.getSendBufferSize());
System. out .println(socket.getReceiveBufferSize());
// 重置缓冲区大小
socket.setSendBufferSize(1024*32);
socket.setReceiveBufferSize(1024*32);
// 再次输出缓冲区大小
System. out .println(socket.getSendBufferSize());
System. out .println(socket.getReceiveBufferSize());
}
}
Demo-2 的输出：
8192
8192
32768
32768
了解了 Socket 缓冲区的概念后，需要探讨一下 Socket 的可写状态和可读状态。当输出缓冲区未满时， Socket 是可写的（注意，不是对方启用接收操作后，本地才能可写，这是错误的理解），因此，当套接字被建立时，即处于可写如的状态。对于可读，则是指缓冲区中有接收到的数据，并且这些数据未完成处理。在 socket 创建时，并不处于可读状态，仅当连接的另一方向本套接字的通道写入数据后，本套接字方能处于可读状态（注意，如果对方套接字已经关闭，那么本地套接字将处于可读状态，并且每次调用 read 后，返回的都是 -1 ）。
现在应用前面的讨论，重新分析一下 Demo-1 的 执行流程，服务端与客户端建立连接后，服务器端先向缓冲区写入两条信息，在第一条信息写入时，缓冲区并未写满，因此在第二条信息输入时，第一条信息很可能 还未发送，因此两条信息可能同时被传送到客户端。另一方面，如果在第二条信息写入时，第一条已经发送出去，那么客户端的接收操作仅会获得第一条信息，因为 客户端没有继续接收的操作，因此第二条信息在缓冲区中，将不会被读取，当 socket 关闭时，缓冲区将被释放，未被读取的数据也就变的无效了。如果对方的 socket 已经关闭，本地再次调用读取方法，则读取方法直接返回 -1 ，表示读到了文件的尾部。
对于缓冲区空间的设定，要根据具体情况来定，如果存在大量的长信息（比如文件传输），将缓冲区定义的大些，可能更好的利用网络资源，如果更多的是短信息（比如聊天消息），使用小的缓冲区可能更好些，这样刷新的速度会更快。一般系统默认的缓冲大小是 8*1024 。除非对自己处理的情况很清晰，否则请不要随意更改这个设置。
由于可读状态是在对方写入数据后或 socket 关闭时才能出现，因此如果客户端和服务端都停留在 read 时，如果没有任何一方，向对方写入数据，这将会产生一个死锁。
此外，在本地接收操作发起之前，很可能接收缓冲区中已经有数据了，这是一种异步。不要误以为，本地调用接收操作后，对方才会发送数据，实际数据何时到达，本地不能做出任何假设。
如果想要将多条输入的信息区分开，可以使用一些技巧，在文件操作中使用 -1 表示 EOF ，就是文件的结束，在网络传输中，也可以使用 -1 表示一条传输语句的结束。 Demo-3 中给出了一个读取和写入操作，在客户端和服务端对称的使用这两个类，可以将每一条信息分析出来。 Demo-3 中并不是将网络的传输同步，而是分析出缓冲中的数据，将以 -1 为结尾进行数据划分。如果写聊天程序可以使用类似的模式。
Demo-3
package com.upc.upcgrid.guan.chapter02;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import org.junit.Test;
public class SocketWriteTest {
public static final int PORT = 12123;
public static final int BUFFER_SIZE = 1024;
// 读取一条传入的，以 -1 为结尾的数据
public class ReadDatas{
// 数据临时缓冲用
private List<ByteBuffer> buffers = new ArrayList<ByteBuffer>();
private Socket socket ; // 数据的来源
public ReadDatas(Socket socket) throws IOException {
this . socket = socket;
}
public void read() throws IOException
{
buffers .clear(); // 清空上次的读取状态
InputStream in = socket .getInputStream(); // 获取输入流
int k = 0;
byte r = 0;
while ( true )
{
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate ( BUFFER_SIZE ); // 新分配一段数据区
// 如果新数据区未满，并且没有读到 -1 ，则继续读取
for (k = 0 ; k < BUFFER_SIZE ; k++)
{
r = ( byte ) in.read(); // 读取一个数据
if (r != -1) // 数据不为 -1 ，简单放入缓冲区
buffer.put(r);
else { // 读取了一个 -1 ，表示这条信息结束
buffer.flip(); // 翻转缓冲，以备读取操作
buffers .add(buffer); // 将当前的 buffer 添加到缓冲列表
return ;
}
}
buffers .add(buffer); // 由于缓冲不足，直接将填满的缓冲放入缓冲列表
}
}
public String getAsString()
{
StringBuffer str = new StringBuffer();
for (ByteBuffer buffer: buffers ) // 遍历缓冲列表
{
str.append( new String(buffer.array(),0,buffer.limit())); // 组织字符串
}
return str.toString(); // 返回生成的字符串
}
}
// 将一条信息写出给接收端
public class WriteDatas{
public Socket socket ; // 数据接收端
public WriteDatas(Socket socket,ByteBuffer[] buffers) throws IOException {
this . socket = socket;
write(buffers);
}
public WriteDatas(Socket socket) {
this . socket = socket;
}
public void write(ByteBuffer[] buffers) throws IOException
{
OutputStream out = socket .getOutputStream(); // 获取输出流
for (ByteBuffer buffer:buffers)
{
out.write(buffer.array()); // 将数据输出到缓冲区
}
out.write( new byte []{-1}); // 输出终结符
out.flush(); // 刷新缓冲区
}
}
// 服务端代码
@Test
public void server() throws IOException, InterruptedException{
ServerSocket ss = new ServerSocket( PORT );
while ( true )
{
Socket s = ss.accept();
// 从网络连续读取两条信息
ReadDatas read = new ReadDatas(s);
read.read();
System. out .println(read.getAsString());
read.read();
System. out .println(read.getAsString());
// 向网络中输出一条信息
WriteDatas write = new WriteDatas(s);
write.write( new ByteBuffer[]{ByteBuffer.wrap ( "welcome to us ! " .getBytes())});
// 关闭套接字
s.close();
}
}
// 客户端代码
@Test
public void client() throws UnknownHostException, IOException{
Socket s = new Socket( "localhost" , PORT ); // 创建 socket 连接
// 连续向服务端写入两条信息
WriteDatas write = new WriteDatas(s, new ByteBuffer[]{ByteBuffer.wrap ( "ni hao guan xin quan ! " .getBytes())} );
write.write( new ByteBuffer[]{ByteBuffer.wrap ( "let's study java network !" .getBytes())});
// 从服务端读取一条信息
ReadDatas read = new ReadDatas(s);
read.read();
System. out .println(read.getAsString());
// 关闭套接字
s.close();
}
}
在 Demo-3 中的这种消息处理方式过于复杂，需要理解 java 底层的缓冲区的知识，还需要编程人员完成消息的组合（在消息末尾添加 -1 ），在 Java 中可以使用一种简单的方式完成上述的操作，就是使用 java DataInputStream 和 DataOutputStream 提供的方法。 Demo-4 给出了使用 java 相关流类完成同步的消息的方法（估计他们与我们 Demo-3 使用的方式是相似的）。你可以查阅 java 其它 API ，可以找到其他的方式。
Demo-4
package com.upc.upcgrid.guan.chapter02;
import java.io.DataInputStream;
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import org.junit.Test ;
public class SocketDataStream {
public static final int PORT = 12123;
@Test
public void server() throws IOException
{
ServerSocket ss = new ServerSocket( PORT );
while ( true )
{
Socket s = ss.accept();
DataInputStream in = new DataInputStream(s.getInputStream());
DataOutputStream out = new DataOutputStream(s.getOutputStream());
out.writeUTF( "hello guan xin quan ! " );
out.writeUTF( "let's study java togethor! " );
System. out .println(in.readUTF());
s.close();
}
}
@Test
public void client() throws UnknownHostException, IOException
{
Socket s = new Socket( "localhost" , PORT );
DataInputStream in = new DataInputStream(s.getInputStream());
DataOutputStream out = new DataOutputStream(s.getOutputStream());
System. out .println(in.readUTF());
System. out .println(in.readUTF());
out.writeUTF( "welcome to java net world ! " );
s.close();
}
}
简单总结：
上面主要介绍了 java Socket 通信的缓冲区机制，并通过几个示例让您对 java Socket 的工作原理有了简单了解。这里需要注意的是可读状态和可写状态，因为这两个概念将对下一节的内容理解至关重要。下一节将描述 java NIO 提高服务端的并发性。